理解与应用 MPU的特权与用户模式

前言
STM32系列支持MPU内存保护单元，可用来设定内存的属性和访问权限。MPU的应用笔记提到，将属性寄存器（MPU_RASR）配置成某一个值，在特权(Privileged permissions)和用户模式(Unprivileged permissions)的访问许可是不同的，甚至可将用户模式的权限设置成不可访问。那么，什么是MPU的特权模式和用户模式呢？ 接下来我们在这篇文章来理解这些名词，并讨论在STM32 MCU代码中如何使用内存保护单元MPU的特权与用户模式。

MPU(Memory Protection Unit)
MPU内存保护单元可以用来使嵌入式系统更加健壮与安全。它可以阻止用户应用程序破坏系统关键数据。它可以通过将内存SRAM区域定义成不可执行，来阻止代码注入型攻击。也可以用来改变内存的性质，例如是否允许缓存(Cache)。
用来设置内存属性的 MPU_RASR寄存器字段描述如下：
. }* s* e1 `- s1 W1 V
图表 1 MPU_RASR字段
  }8 M, p% j/ X" X7 q
+ }) I+ O4 u% |在MPU_RASR中用来设置数据访问许可的AP字段详细设置选项如下：

图表 2 内存访问权限设置
4 j: |% Q2 o1 e  z  x% M* S
特权模式（Privileged mode）与用户模式(UnPrevileged mode)
4 B' \: ^  j* s% }$ t6 I特权模式与用户模式是指Cortex内核的执行模式。它不是MPU的一部分，但与MPU单元有关联。当代码运行在特权模式下，代码拥有所有的访问许可；而代码运行在用户模式，则访问权限受限制。限制包括在系统设计阶段就定义的可运行指令限制，可访问内存以及外设限制。也包括由MPU单元动态所定义的内存访问规则。
从特权模式进入用户模式，只需使用MSR指令操作CONTROL寄存器。但是，不可以直接从用户模式转入特权模式，必须经过一个异常处理操作模式，比如SVC（ Supervisor Calls）。在异常处理通过操作CONTROL寄存器，可从用户模式回到特权模式。请注意，特权线程与异常处理线程，都是在特权模式下运行。
如下图所示：
6 x+ ]  k7 U/ q: O8 \

% d. ^8 c0 x+ G% }; {在代码中结合特权与用户模式使用MPU
1. 开发环境
开发板： STM32 L476RG NUCLEO
" M7 W4 @, O  y开发工具：STM32Cube_FW_L4_V1.7.0
- K+ h1 a3 [+ L  D4 z4 Y9 K                IAR/Keil
注：也可以选择其他STM32系列并选择相应的开发板与固件库。
   
+ V2 H0 k: m. d2 k1 ~& |4 h2. 开发目标定义
在软件中定义一块数组，使用MPU将该区域配成仅可从特权模式下进行访问，并验证用户模式下访问会导致内存管理异常或者硬错误。

图表 3 特权模式与用户模式的切换

: \! R+ z" l" v( q$ x3. 代码资源与整合
STM32 Cube固件库提供了大量的例程供学习和重用。查找STM32Cube_FW_L4_V1.6.0可以发现，固件库已分别实现了特权模式与用户模式的切换（CORTEXM_ModePrivilege），和MPU的配置（CORTEXM_MPU）。
" e: a& W9 b6 E5 V+ i

2 y* I3 C1 t5 g4 F" B我们需要将两个例程整合在一起来实现我们的开发目标。注意你选择其他STM32系列也是没有问题的，也支持MPU功能。
复制CORTEXM_MPU\Src\stm32_mpu.c 到CORTEXM_ModePrivilege\Src目录下
! N5 [  N- ^/ b8 Q" h4 D( [6 Y
复制CORTEXM_MPU\Inc\stm32_mpu.h到CORTEXM_ModePrivilege\Inc目录下
! b9 _4 z# V2 C  A& {, C3 o: `
# A. F1 t, U( g$ x0 c7 P% n) n打开CORTEXM_ModePrivilege工程文件，将stm32_mpu.c和stm32_mpu.h添加到工程文件中。IAR与Keil略有不同，在IAR下只需添加C文件。
4 w7 \: \, p% l. h

) ^. z+ A. Q& f2 J1 p2 V4. 修改与增加代码
) A, M! q* Y+ @1 i" C8 R' s. a8 J1 {7 @新增加的代码以红色表示
●在主程序中包含stm32_mpu.h

0 G% y- K1 T+ f' v- C4 j●在主程序里调用MPU配置函数
& [2 d/ m5 }" W0 d要对使用的内存进行MPU配置，未被MPU配置的资源将视之为不可访问。这是MPU_Config必须被使用的原因。

; G( j6 B' ?$ c* a) [3 K5 L0 W$ w: y3 @●修改MPU_AccessPermConfig将数组区域配置成我们设计的权限并增加测试代码。
MPU_AccessPermConfig在特权模式下运行，故测试代码不会触发异常。

' x% S) S/ G1 d8 D8 k( v
●在用户模式下尝试读写数组
参考代码中直接访问数组，很容易被编译器优化掉而不能发挥测试作用。这里加了个判断后写的操作，使编译器不去优化它。
7 M* g+ h0 `7 }3 X8 [* m6 N; R

至此，可以编译成功运行来体会特权模式与用户模式的MPU的不同配置。执行到主程序中新加的数组访问代码，会产生内存管理异常。

$ L; Z) G4 Z: Z$ [8 ^- T
5. 关键代码分析
  x( f5 I& y. _  W6 B3 I●从特权模式进入用户模式。直接设置CONTROL寄存器。
2 X2 Y1 A3 Y/ [% n2 @" ^
●从用户模式回到特权模式，需要触发异常处理

●在异常处理中将线程回到特权模式执行
; \5 T3 b! d2 M* v5 Y1 [
3 H% V' b0 U5 ~) F% {( G% `% `4 E ●若用户模式下代码试图访问无权限数据将产生内存管理异常，从而进入下述函数。
* e; Y. m; {8 S' y/ M
7 t. f, O6 M# x
9 z) p3 i0 Q; E6 ~结论
本文档介绍了MPU的特权与用户模式，并整合与修改已有代码进行了应用。在实际中可将MPU与Cortex运行模式结合，可使应用更加健壮与安全。
, c8 e9 D/ a! }2 K2 P

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实战技术很有用。

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